权利要求
1.一种基于深海
采矿车低能耗智能设计方法，包括步骤：
S1000：对采矿车进行轻量化设计优化;
S2000：对采矿车进行构型设计优化;
S3000：通过智能低能耗设计算法优化采矿车;
其特征在于，步骤S3000包括：
S3100：确定采矿车的设计构件变量数量及各构件的约束条件;
S3200：输入初始采矿车模型的参数，构建初始采矿车模型;
S3300：在采矿车初始设计空间中进行密集采样，获取构件样本和各采矿车构件对应的权重，确定采矿车构件的权重占比，依据各构件不同的权重，对后续的优化过程提供参考;
S3400：进行迭代条件的检验，判断采矿车模型优化的进度是否符合优化目标要求;
同时计算并解决有效样本大小，确保样本质量满足要求;
S3500：根据新的迭代步更新样本权重，并进行归一化处理，以确保权重的合理性和有效性;
S3600：对各构件样本进行重要性重采样，以提高各构件样本的代表性和效率，确保各构件的优化程度符合各构件权重，实现采矿车整体的优化;
S3700：进行多次M-H算法接受/拒绝转移步骤，进一步优化样本分布，确保样本更好地符合目标分布，并对样本数量进行再次检查确保样本数量质量，符合目标的要求;
S3800：通过最大化样本的最小距离，顺序获取样本，确保样本在设计空间中的分布尽可能均匀;
S3900：检查获取的样本是否足够用于构建代理模型;
如果足够，输出最终样本，完成整个流程;
如果不够，输入额外样本大小并重复优化步骤，直到满足条件。
2.根据权利要求1所述的一种基于
深海采矿车低能耗智能设计方法，其特征在于，步骤S3100包括：
S3110：明确采矿车构件设计问题中涉及的变量数量;
S3120：明确所有约束条件，并将其转化为数学表达式，以便后续处理;
S3130：判断是否存在等式约束;
如果有等式约束，需要将其转换为不等式约束，以便统一处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，其特征在于，步骤S3200包括：
S3210：输入初始规则设计空间、样本大小、目标和M-H算法步骤数量;
S3220：设置初始迭代步数和初始目标值，为后续迭代过程做准备。
4.根据权利要求3所述的一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，其特征在于，步骤S3300获取的采矿目标权重占比为：姿态调节装置5-7%、液压动力模块5-10%、履带行走机构20-30%、采集机构15-25%、浮体模块10-20%、矿仓模块10-30%、采矿车主框架10-30%。
5.根据权利要求4所述的一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，其特征在于，步骤S3400包括：
S3410：判断迭代条件：检查当前迭代步是否小于目标步;
如果是，继续迭代优化;
否则，进入最终样本获取阶段;
S3420：更新迭代步：增加迭代步数，准备进行下一轮优化。
6.根据权利要求5所述的一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，其特征在于，步骤S3700包括：
S3710：通过上述步骤获取新的样本，并返回继续检查迭代条件;
S3720：当迭代达到目标步时，获取最终样本在可行域中的值;
S3730：根据需求输入最终样本大小，准备进行样本优化。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，其特征在于，步骤S3100中获取作业参数时，通过深海传感器网络实时监测作业水深H与水压变化数据，将传感器网络包含压力传感器、深度传感器，传感器精度误差范围控制在±0.5%以内。
8.根据权利要求7所述的一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，其特征在于，步骤S1000包括：
S1100：进行承力构件轻量化方面;
S1200：进行非承力构件轻量化方面;
S1300：进行复合结构创新，采取复合结构采用三明治夹层结构利用榫卯插接设计，通过环氧树脂-金属共固化工艺实现
碳纤维面板+蜂窝
铝芯材构成复合架构;
S1400：采用SLM激光选区熔化工艺，制造异形轻量化构件;
采用超塑成形工艺，对钛合金构件进行高温气压成形，形成一体化构件，实现构件轻量化目标;
S1500：基于NSGA-II遗传算法，在ANSYS中建立质量-刚度-疲劳寿命多目标优化模型，通过有限元分析去除冗余材料，减少冗余材料、提升整体刚度、减少应力集中;
对结构构件进行优化，减少构件的质量，保证构件强度，减少应力集中系数，保证采矿车的固有可用度;
S1600：参考海龟壳力学分布特征，对采矿车底盘进行梯度密度优化;
中间层密度采用仿生骨板蜂窝结构;
底层使用多孔材料;
采矿车车身结合仿生鳐鱼造型，参考鳐鱼滑翔姿态对车身进行设计优化车身形状。
9.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，其特征在于，步骤S2000包括：
S2100：基于STAR-CCM+进行CFD仿真，通过多次迭代获得流线轮廓;
S2200：开发基于形状记忆合金的履带节段，根据底质硬度自动调整履带宽度与角度;
S2300：进行模块化构型设计;
S2400：进行分布式推进布局;
S2500：采用主动导流板系统，在车身两侧布置8组压电陶瓷驱动的自适应导流板，根据ADCP声学多普勒流速剖面仪数据实时调整倾角。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及深海采矿车技术领域，具体的，涉及一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法。
背景技术
[0002]海洋约占地球表面的70%，这片广阔的区域正在被积极探索。对于海底的观测证实了深海海底存在多种海洋资源。因此，对于海洋沉积物的采集是研究海底环境的重要手段。
[0003]然而，由于大部分海底资源的储量以及海底资源的开采机制尚未探究明确，为了进一步对海底资源的开发与利用，需要深海采矿车的参与。且目前深海采矿车均处于试采与商采的初始阶段，技术相对不成熟。因此，对于深海采矿车的优化设计对于实现深海资源的开发具有重要的作用。
[0004]鉴于深海矿物的采集条件的复杂性、采集工作的艰巨性，相关技术仍然存在较大问题，当前深海采矿车的问题主要有如下几点：
1、现有技术中，对于采矿车的优化，大多集中于采矿车的某一部件进行优化，缺乏对于采矿车整体的考虑;
2、现有技术对采矿车轻量化设计的优化，多集中于材料领域与传统技术改进，未与智能控制算法相结合，未考虑采矿车整体对技术与材料的结合;
3、现有技术对于采矿车的优化，多为固定调整，缺乏对于环境的主动智能调节方式;
4、采用仿真模拟手段时，多为多次重复模拟，未引入智能算法对模拟进行迭代化优化，对采矿车模型的优化效率不高。
[0005]5、多集中于轻量化等采矿车优化的某一个方面进行优化，没有聚焦于采矿车优化的多个方面进行结合，对采矿车的整体效率进行优化。
发明内容
[0006]本发明目的之一在于提出一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，对采矿车整体进行多角度、多方面的综合低能耗设计优化，实现了深海采矿车低能耗智能设计。
[0007]本发明的技术方案如下：
一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，包括步骤：
S1000：对采矿车进行轻量化设计优化;
S2000：对采矿车进行构型设计优化;
S3000：通过智能低能耗设计算法优化采矿车;
步骤S3000包括：
S3100：确定采矿车的设计构件变量数量及各构件的约束条件;
S3200：输入初始采矿车模型的参数，构建初始采矿车模型;
S3300：在采矿车初始设计空间中进行密集采样，获取构件样本和各采矿车构件对应的权重，确定采矿车构件的权重占比，依据各构件不同的权重，对后续的优化过程提供参考;
S3400：进行迭代条件的检验，判断采矿车模型优化的进度是否符合优化目标要求;
同时计算并解决有效样本大小，确保样本质量满足要求;
S3500：根据新的迭代步更新样本权重，并进行归一化处理，以确保权重的合理性和有效性;
S3600：对各构件样本进行重要性重采样，以提高各构件样本的代表性和效率，确保各构件的优化程度符合各构件权重，实现采矿车整体的优化;
S3700：进行多次M-H算法接受/拒绝转移步骤，进一步优化样本分布，确保样本更好地符合目标分布，并对样本数量进行再次检查确保样本数量质量，符合目标的要求;
S3800：通过最大化样本的最小距离，顺序获取样本，确保样本在设计空间中的分布尽可能均匀;
S3900：检查获取的样本是否足够用于构建代理模型;
如果足够，输出最终样本，完成整个流程;
如果不够，输入额外样本大小并重复优化步骤，直到满足条件。
[0008]进一步的，步骤S3100包括：
S3110：明确采矿车构件设计问题中涉及的变量数量;
S3120：明确所有约束条件，并将其转化为数学表达式，以便后续处理;
S3130：判断是否存在等式约束;
如果有等式约束，需要将其转换为不等式约束，以便统一处理。
[0009]进一步的，步骤S3200包括：
S3210：输入初始规则设计空间、样本大小、目标和M-H算法步骤数量;
S3220：设置初始迭代步数和初始目标值，为后续迭代过程做准备。
[0010]进一步的，步骤S3300获取的采矿目标权重占比为：姿态调节装置5-7%、液压动力模块5-10%、履带行走机构20-30%、采集机构15-25%、浮体模块10-20%、矿仓模块10-30%、采矿车主框架10-30%。
[0011]进一步的，步骤S3400包括：
S3410：判断迭代条件：检查当前迭代步是否小于目标步;
如果是，继续迭代优化;
否则，进入最终样本获取阶段;
S3420：更新迭代步：增加迭代步数，准备进行下一轮优化。
[0012]进一步的，步骤S3700包括：
S3710：通过上述步骤获取新的样本，并返回继续检查迭代条件;
S3720：当迭代达到目标步时，获取最终样本在可行域中的值。
[0013]S3730：根据需求输入最终样本大小，准备进行样本优化。
[0014]进一步的，步骤S3100中获取作业参数时，通过深海传感器网络实时监测作业水深H与水压变化数据，将传感器网络包含压力传感器、深度传感器，传感器精度误差范围控制在±0.5%以内。
[0015]进一步的，步骤S1000包括：
S1100：进行承力构件轻量化方面;
S1200：进行非承力构件轻量化方面;
S1300：进行复合结构创新，采取复合结构采用三明治夹层结构利用榫卯插接设计，通过环氧树脂-金属共固化工艺实现碳纤维面板+蜂窝铝芯材构成复合架构;
S1400：采用SLM激光选区熔化工艺，制造异形轻量化构件;
采用超塑成形工艺，对钛合金构件进行高温气压成形，形成一体化构件，实现构件轻量化目标;
S1500：基于NSGA-II遗传算法，在ANSYS中建立质量-刚度-疲劳寿命多目标优化模型，通过有限元分析去除冗余材料，减少冗余材料、提升整体刚度、减少应力集中;
对结构构件进行优化，减少构件的质量，保证构件强度，减少应力集中系数，保证采矿车的固有可用度;
S1600：参考海龟壳力学分布特征，对采矿车底盘进行梯度密度优化;
中间层密度采用仿生骨板蜂窝结构;
底层使用多孔材料;
采矿车车身结合仿生鳐鱼造型，参考鳐鱼滑翔姿态对车身进行设计优化车身形状。
[0016]进一步的，步骤S2000包括：
S2100：基于STAR-CCM+进行CFD仿真，通过多次迭代获得流线轮廓;
S2200：开发基于形状记忆合金的履带节段，根据底质硬度自动调整履带宽度与角度;
S2300：进行模块化构型设计;
S2400：进行分布式推进布局;
S2500：采用主动导流板系统，在车身两侧布置8组压电陶瓷驱动的自适应导流板，根据ADCP声学多普勒流速剖面仪数据实时调整倾角。
[0017]本发明的有益效果为：
[0018]1、本发明通过对于采矿车构件的样本采集，对采矿车的各部分构件进行了权重的分配，不再拘泥于对采矿车单一构件的优化，在对采矿车各个构件进行优化的同时，考虑各构件的权重占比，同时实现对于采矿车整体的优化。
[0019]2、本发明通过对多种材料的复合使用，与新型材料构建技术的使用实现了对于采矿车轻量化的优化，加以多目标优化算法对采矿车整体构件进行优化，实现材料技术与智能算法的结合优化。
[0020]3、本发明通过设计可变形履带系统，分布式推进布局，动态构型调节，实现了采矿车对环境的动态智能响应，可以根据采矿车所处环境的不同，实现采矿车的自适应智能调整。
[0021]4、本发明通过引入智能算法，与仿真模拟相结合，使得对与采矿车模型的优化效率提高。
[0022]5、本发明通过对于轻量化的优化设计与采矿车构型的优化设计相结合，加以智能设计方法的综合调节，实现轻量化与构型优化对采矿车整体的协同优化。
附图说明
[0023]下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0024]图1是本发明的流程图。
具体实施方式
[0025]下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
[0026]实施例1
[0027]如图1所示，本实施例提供了一种基于深海采矿车低能耗智能设计方法，包括步骤：
S1000：对采矿车进行轻量化设计优化;
具体的，步骤S1000包括：
S1100：该步骤主要进行分类选材：
承力构件轻量化方面，选取碳纤维强化
复合材料以及钛合金，钛合金与碳纤维强化复合材料通过激光焊接技术，选用激光功率为500w-1000w;实现碳纤维强化复合材料与钛合金的链接，其中
钛合金材料占比65-75%;
碳纤维材料占比25-35%;
该步骤的核心驱动力是实现极致的轻量化，同时通过材料性能互补CFRP减重，钛合金保强韧、耐环境、可焊和先进连接技术，激光焊实现低热输入、精密控制的异种材料连接来确保构件在苛刻服役条件下的高比强度、高刚度、良好疲劳性能和环境耐久性。
[0028]S1200：非承力构件轻量化方面，选取使用高强度工程塑料，采用PAEK系列高分子材料密度1.2-1.3g/cm³，抗冲击强度≥80kJ/m²，用于传感器外壳、导流板等非承力部件，耐低温性能≥-40℃;并通过注塑成型工艺，工艺参数：温度选用150-350℃;注射压力选取50-150MPa，实现复杂曲面减重;
选用PAEK系列材料+高压高温注塑工艺，通过轻量化(密度1.2-1.3g/cm³)、高抗冲(≥80kJ/m²)、耐低温(-40℃) 三大核心特性，解决了非承力部件对“减重、强韧、环境适应”的复合需求。注塑工艺(150-350℃, 50-150MPa)实现复杂曲面一体成型，显著提升生产效率与设计自由度。
[0029]S1300：进行复合结构创新：
在整体车架结构优化方面，采取复合结构采用三明治夹层结构利用榫卯插接设计，通过环氧树脂-金属共固化工艺实现碳纤维面板+蜂窝铝芯材构成复合架构，碳纤维面板采用高模量碳纤维预浸料，碳纤维材料参数：抗拉强度≥1500MPa，密度1.4-1.6g/cm³;铝芯选用六边形蜂窝铝芯材，材料密度0.1-0.2g/cm³，抗压强度≥8Mpa;铝芯与碳纤维面板组成三明治结构，结构刚度提升20-40%，减重20-30%，实现整体车架轻量化目标;
整体车架采用高模量碳纤维面板与超轻蜂窝铝芯构成三明治夹层结构，通过榫卯插接设计强化界面互锁，结合环氧树脂-金属共固化工艺实现材料-结构一体化融合。该方案以蜂窝芯材的超低密度和碳纤维的高比强度协同作用，在保证抗压强度的前提下，显著提升结构刚度20-40%，达成车架减重20-30%的目标。榫卯节点与共固化界面有效抑制分层风险，赋予车架优异的抗冲击性与振动阻尼特性;同时，碳纤维预浸料的热压成型能力支持复杂曲面一体化制造，兼顾轻量化与多工况可靠性，为车辆续航提升与动态性能优化提供核心支撑。
[0030]S1400：进行制造工艺革新：
整体车架工艺优化方面，采用SLM激光选区熔化工艺，工艺参数：选用220-400w的激光功率;扫描速度为0.5-3m/s;选用粒径大小为15-45μm的钛合金颗粒，制造异形轻量化构件;采用超塑成形工艺，工艺参数：温度900-950℃;气压1-3MPa;对钛合金构件进行高温气压成形，形成一体化构件，实现构件轻量化目标;
通过SLM激光选区熔化(220-400W激光功率、0.5-3m/s扫描速度、15-45μm钛粉)制造近净成形毛坯，结合超塑成形(900-950℃高温、1-3MPa气压)对钛合金构件进行气胀延展，实现车架异形结构的一体化制造。该工艺利用SLM的自由造型能力生成内部轻量化晶格与外部拓扑曲面，再以超塑成形消除内部缺陷并精确控制复杂外形，在保证抗压强度的前提下，达成构件减重35-45%的目标。复合工艺突破传统制造对结构设计的限制，为深海采矿车辆提供兼具轻量化与高可靠性的解决方案。
[0031]S1500：进行结构拓扑优化：
该步骤采用的多目标优化算法基于NSGA-II遗传算法，在ANSYS中建立质量-刚度-疲劳寿命多目标优化模型，通过有限元分析去除冗余材料;
具体的，能够减少冗余材料5-7%，提升整体刚度5-10%，减少应力集中3-5%。从而实现对结构构件的优化，减少构件的质量，保证构件强度，减少应力集中系数，保证采矿车的固有可用度;
该步骤基于NSGA-II遗传算法与ANSYS多物理场模型的协同优化，通过有限元分析精准定位冗余区域(如低应力腹板)，结合拓扑优化实现。
[0032]S1600：进行仿生拓扑设计：
采矿车底盘方面，参考海龟壳力学分布特征，对采矿车底盘进行梯度密度优化，表层密度4.1-4.5g/cm³模拟海龟角质层，采用钛合金复合陶瓷涂层;
中间层密度梯度递减至2.6-2.8g/cm³，采用仿生骨板蜂窝结构;
底层使用多孔材料，密度梯度递减至1.3-1.9g/cm³，材料孔隙率40-50%，对应海龟壳胶原纤维缓冲层，实现局部抗冲击能力提升;
采矿车车身方面，结合仿生鳐鱼造型，车身整体比例长宽比2.5:1，侧翼延展系数1.2-1.5，参考鳐鱼滑翔姿态对车身进行设计优化车身形状。
[0033]该步骤使采矿车底盘借鉴海龟壳三阶梯度结构：表层以钛合金-陶瓷复合涂层(密度4.1-4.5g/cm³)抵御冲击;中间层采用仿生蜂窝骨架(密度2.6-2.8g/cm³)耗散冲击能量;底层通过多孔材料实现碰撞加速度衰减。车身融合鳐鱼仿生造型，以长宽比2.5:1，侧翼1.5倍延展，结合流线曲面设计减少能耗。该双仿生耦合设计使底盘抗冲击能力提升，车身阻力减小，为深海采矿作业提供高可靠、低能耗解决方案。
[0034]S2000：对采矿车进行构型设计优化;
具体的，步骤S2000包括：
S2100：进行流线型车身设计：
在车身构型优化方面，基于STAR-CCM+进行CFD仿真，通过多次迭代获得流线轮廓：前部车身外壳部分采用10°-15°楔形导角，尾部车身外壳部分增设导流鳍，导流鳍高度200-400mm，倾角10°-25°动态调节。
[0035]该步骤通过STAR-CCM+多轮CFD迭代，车身前部采用10°-15°楔形导角优化车体流线型设计，降低水阻系数;尾部设置200-400mm可调导流鳍，通过10°-25°倾角动态调节实现双重目标：小倾角工况破碎尾涡降低压差阻力，大倾角工况生成1.5kN下压力抑制重载打滑。该套件使整车能耗下降，重载工况牵引效率提升，显著改善深海采矿作业环境。
[0036]S2200：进行可变形履带系统：
在行走系统构型优化方面，开发基于形状记忆合金的履带节段，可根据底质硬度自动调整履带宽度与角度，如：
硬岩地形，履带宽度收缩10-15%提升压强;
软泥地形履带宽度扩展10-20%防止下陷，履带板倾角调节范围：0°-25°;
硬岩地形调整至0°-10°提升抓地力，软泥地形调整至10°-25°降低接地比压，实现功耗的降低。
[0037]由于硬岩地形，地面承载力相对较高，履带面积收缩，角度较小，有助于能耗降低，软泥地形承载力较低，扩大履带面积，增大角度，减小接地比压，防止采矿车沉陷。
[0038]S2300：进行模块化构型设计：
整体车辆模块化构型优化方面，功能集成模块将破碎头、矿物筛选、暂存仓集成于可拆卸前舱模块，通过快拆接口实现功能切换，当使用破碎头模块时，功能集成模块在算法中权重占比增加4-7%;当使用矿物筛选模块时，功能集成模块在算法中权重占比减少3-5%;当使用暂存仓模块时，功能集成模块在算法中权重占比增加7-10%。
[0039]该步骤通过快拆接口集成破碎头、矿物筛选机与暂存仓三大功能模块，结合动态权重控制算法实现工况自适应优化：破碎头作业时算法权重提升4-7%，增强液压功率分配以抑制冲击载荷;矿物筛选模块时权重降低3-5%，减少振动能耗;暂存仓满载时权重增加7-10%，通过车架刚度补偿使侧倾角控制至≤3°。该设计使模块切换效率提升，设备复用率提高，单台采矿车年作业成本降低，为深海采矿提供高弹性，低能耗解决方案。
[0040]S2400：进行分布式推进布局：
整体车辆推进布局构型优化方面，采用4组矢量推进器+2组履带驱动，通过PID控制实现六自由度精准调节，当车辆倾角为0°-15°时，矢量推进器功率选用30-50%，选用两组矢量推进器，矢量推进器角度为0°-10°;当车辆倾角≥15°时，矢量推进器功率选用50-100%，选用四组矢量推进器，矢量推进器角度为10°-15°。
[0041]该步骤通过倾角反馈PID算法动态调控4组矢量推进器：在0°-15°倾角 工况启用2组推进器，功率30%-50%、矢量角0°-10°，提供辅助牵引力，降低能耗;当倾角≥15°时激活4组推进器，功率50%-100%、矢量角10°-15°，生成抬升力与防倾覆力矩，提升最大攀坡度。该布局结合履带驱动基力，实现六自由度精准调节，提升软基脱困能力，为复杂矿脉地形提供高机动、高稳定，低能耗作业能力。
[0042]S2500：进行动态构型调节：
整体车辆动态构型优化方面，采用主动导流板系统，在车身两侧布置8组压电陶瓷驱动的自适应导流板，根据ADCP声学多普勒流速剖面仪数据实时调整倾角，调整角度为0°-30°，调节精度±0.5°，水流速度感知延迟<0.3s，导流板全行程调节时间<2s;重心自平衡技术方面，通过矿物仓的配重滑块实时调节，配重滑块精度±2cm，重心偏移感知延迟<0.5s，配重块调节时间<2s，确保整个采矿车在倾斜角度0°-30°工况下的稳定性。
[0043]该步骤主动导流板系统通过ADCP声学感知驱动8组压电陶瓷导流板，0°-30°倾角可调，精度±0.5°，在横流下生成抵消力，降低漂移量;重心自平衡技术以±2cm精度移动配重滑块，响应延迟<0.5s，调节时间<2s，在30°斜坡工况补偿偏心矩，将侧倾角控制至≤2.1°。双系统协同将水下行驶阻力降低，传动能耗减少，使采矿车在复杂水文与地形条件下低能耗稳定作业。
[0044]S3000：通过智能低能耗设计算法优化采矿车;
具体的，步骤S3000包括：
S3100：确定采矿车的设计构件变量数量及各构件的约束条件;
在获取作业参数时，通过深海传感器网络实时监测作业水深H与水压变化数据，所述传感器网络包含压力传感器、深度传感器，传感器精度误差范围控制在±0.5%以内。
[0045]具体的，步骤S3100包括：
S3110：输入设计构件变量的数量：
明确采矿车构件设计问题中涉及的变量数量，并将采矿车设计构件分为七部分，如姿态调节装置、液压动力模块、履带行走机构、采集机构、浮体模块、矿仓模块、采矿车主框架;
S3120：定义采矿车各个构件所需约束条件的数学表达式：明确所有约束条件，并将其转化为数学表达式，以便后续处理;
采矿车构件约束条件包括部件几何参数如：
采矿车采集机构挡板厚度、长度、宽度;
采集装置汇流管的直径与长度，液压泵的尺寸与位置;
喷嘴的直径与安装角度;
部件的材料属性包括：材料密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度;
S3130：处理等式约束：判断是否存在等式约束;
如果有等式约束，需要将其转换为不等式约束，以便统一处理。
[0046]S3200：输入初始采矿车模型的参数，构建初始采矿车模型;
具体的，步骤S3200包括：
S3210：输入初始采矿车设计参数：输入初始规则设计空间、样本大小、目标和M-H算法步骤数量;
这些参数将指导后续的采样和优化过程，初始规则设计空间中设置流体力学参数为：
海水流速0.1m/S-1.5m/S、海水密度1000-1026kg/m³、海水动力粘度0.00157-0.00163kg/m·S;
初始样本大小包括：挡板、汇流管的最大应力，传输通道间的最小间距，材料的屈服强度;初始样本目标为实现采矿车整体优化，降低采矿车的能耗;
S3220：初始化迭代参数：设置初始迭代步数和初始目标值，为后续迭代过程做准备。
[0047]S3300：在采矿车初始设计空间中进行密集采样，获取构件样本和各采矿车构件对应的权重，确定采矿车构件的权重占比，依据各构件不同的权重，对后续的优化过程提供参考;
获取的采矿目标权重占比为：姿态调节装置5-7%、液压动力模块5-10%、履带行走机构20-30%、采集机构15-25%、浮体模块10-20%、矿仓模块10-30%、采矿车主框架10-30%。
[0048]上述参数基于各个模块重量、体积、以及重要性，在采矿车初始设计空间中进行采样，进行综合性评估得出。
[0049]S3400：进行迭代条件的检验，判断采矿车模型优化的进度是否符合优化目标要求;
同时计算并解决有效样本大小(ESS)，确保样本质量满足要求;
具体的，步骤S3400包括：
S3410：判断迭代条件：检查当前迭代步是否小于目标步;
如果是，继续迭代优化;
否则，进入最终样本获取阶段;
S3420：更新迭代步：增加迭代步数，准备进行下一轮优化。
[0050]S3500：根据新的迭代步更新样本权重，并进行归一化处理，以确保权重的合理性和有效性;
S3600：对各构件样本进行重要性重采样，以提高各构件样本的代表性和效率，确保各构件的优化程度符合各构件权重，实现采矿车整体的优化;
S3700：执行M-H算法(Metropolis-Hastings采样算法)：进行多次M-H算法接受/拒绝转移步骤，进一步优化样本分布，确保样本更好地符合目标分布，并对样本数量进行再次检查确保样本数量质量，符合目标的要求;
具体的，步骤S3700包括：
S3710：获取新样本：通过上述步骤获取新的样本，并返回继续检查迭代条件;
S3720：获取最终样本：当迭代达到目标步时，获取最终样本在可行域中的值。
[0051]S3730：输入最终样本大小：根据需求输入最终样本大小，准备进行样本优化。
[0052]S3800：通过最大化样本的最小距离，顺序获取样本，确保样本在设计空间中的分布尽可能均匀;
S3900：检查获取的样本是否足够用于构建代理模型;
如果足够，输出最终样本，完成整个流程;
如果不够，输入额外样本大小并重复优化步骤，直到满足条件。
[0053]下表为本实施例对于深海采矿车优化的结果：
[0054]实施例2
本实施例对个别步骤参数进行的调整与限定，与实施例1不同之处具体如下：
将步骤S1100调整为：选取碳纤维强化复合材料以及钛合金，钛合金与碳纤维强化复合材料通过激光焊接技术，选用激光功率为750w;实现碳纤维强化复合材料与钛合金的链接，其中钛合金材料占比70%;碳纤维材料占比30%;
将步骤S1200调整为：选取使用高强度工程塑料，采用PAEK系列高分子材料密度1.25g/cm³，抗冲击强度85kJ/m²，用于传感器外壳、导流板等非承力部件，耐低温性能-45℃，通过注塑成型工艺，工艺参数：温度选用250℃;注射压力选取100MPa，实现复杂曲面减重;
将步骤S1300调整为：采取复合结构采用三明治夹层结构利用榫卯插接设计，通过环氧树脂-金属共固化工艺实现碳纤维面板+蜂窝铝芯材构成复合架构，碳纤维面板采用高模量碳纤维预浸料，碳纤维材料参数：抗拉强度1600MPa，密度1.45g/cm³，铝芯选用六边形蜂窝铝芯材，材料密度0.15g/cm³，抗压强度10MPa，铝芯与碳纤维面板组成三明治结构，实现整体车架轻量化目标;
将步骤S1400调整为：采用SLM激光选区熔化工艺，工艺参数：选用400w的激光功率;扫描速度为1.5m/s;选用粒径大小为30μm的钛合金颗粒，制造异形轻量化构件;采用超塑成形工艺，工艺参数：温度950℃;气压2.75MPa;对钛合金构件进行高温气压成形，形成一体化构件，实现构件轻量化目标;
将步骤S1500调整为：通过有限元分析去除冗余材料，减少冗余材料6%，提升整体刚度8%，减少应力集中4.5%;
将步骤S1600调整为：采矿车底盘方面，参考海龟壳力学分布特征，对采矿车底盘进行梯度密度优化，表层密度4.3g/cm³模拟海龟角质层，采用钛合金复合陶瓷涂层;
中间层密度梯度递减至2.7g/cm³采用仿生骨板蜂窝结构;
底层使用多孔材料，密度梯度递减至1.5g/cm³，材料孔隙率43%，对应海龟壳胶原纤维缓冲层，实现局部抗冲击能力提升;
采矿车车身方面，结合仿生鳐鱼造型，车身整体比例长宽比2.5:1，侧翼延展系数1.3，参考鳐鱼滑翔姿态对车身进行设计优化车身形状;
将步骤S2100调整为：基于STAR-CCM+进行CFD仿真，通过多次迭代获得流线轮廓：前部车身外壳部分采用12.5°楔形导角，尾部车身外壳部分增设导流鳍，导流鳍高度350mm，倾角10°-25°动态调节;
将步骤S2200调整为：硬岩地形，履带宽度收缩14%提升压强;
软泥地形履带宽度扩展16%防止下陷，履带板倾角调节范围：0°-25°;
硬岩地形调整至7°提升抓地力，软泥地形调整至12°降低接地比压，实现功耗的降低;
将步骤S2300调整为：当使用破碎头模块时，功能集成模块在算法中权重占比增加5%;当使用矿物筛选模块时，功能集成模块在算法中权重占比减少4%;当使用暂存仓模块时，功能集成模块在算法中权重占比增加8%;
将步骤S2400调整为：采用4组矢量推进器+2组履带驱动，通过PID控制实现六自由度精准调节，当车辆倾角为0°-15°时，矢量推进器功率选用45%，选用两组矢量推进器，矢量推进器角度为7°;当车辆倾角≥15°时，矢量推进器功率选用75%，选用四组矢量推进器，矢量推进器角度为13°;
将步骤S2500调整为：在车身两侧布置8组压电陶瓷驱动的自适应导流板，根据ADCP声学多普勒流速剖面仪数据实时调整倾角，调整角度为0°-30°，调节精度±0.5°，水流速度感知延迟<0.3s，导流板全行程调节时间<2s;
重心自平衡技术方面，通过矿物仓的配重滑块实时调节，配重滑块精度±2cm，重心偏移感知延迟<0.5s，配重块调节时间<2s，确保整个采矿车在倾斜角度0°-30°工况下的稳定性;
将步骤S3210调整为：初始规则设计空间中设置流体力学参数：海水流速0.1m/s-1.5m/s，海水密度1000-1026kg/m³，海水动力粘度0.00157-0.00163kg/m·s;
将步骤S3300调整为：获取的采矿目标权重占比：姿态调节装置7%，液压动力模块8%，履带行走机构25%，采集机构15%，浮体模块15%，矿仓模块15%，采矿车主框架15%;
下表为本实施例对于深海采矿车优化的结果：
[0055]若不采用本实施例对采矿车进行轻量化设计优化，将得到如下结果：
[0056]由此，设计出的采矿车车体轻量化水平低，单位能耗高，车体质量大，无法满足低能耗设计要求。
[0057]若不采用本实施例对采矿车进行构型设计优化，将得到如下结果：
[0058]由此，设计出的采矿车车体轻量化设计水平低，单位产能能耗高，作业产能低，无法满足低能耗设计要求。
[0059]下表为国内先进水平深海采矿车的设计数据：
[0060]由此，设计出的采矿车轻量化水平低，单位能耗极高，作业产能低下，车体质量大，无法满足低能耗要求。
[0061]实施例3
本实施例对个别步骤参数进行的调整与限定，与上述实施例不同之处具体如下：
将步骤S1100调整为：选取碳纤维强化复合材料以及钛合金，钛合金与碳纤维强化复合材料通过激光焊接技术，选用激光功率为1000w;实现碳纤维强化复合材料与钛合金的链接，其中钛合金材料占比75%;碳纤维材料占比25%;
将步骤S1200调整为：选取使用高强度工程塑料，采用PAEK系列高分子材料密度1.3g/cm³，抗冲击强度95kJ/m²，用于传感器外壳、导流板等非承力部件，耐低温性能-40℃，通过注塑成型工艺，工艺参数：温度选用350℃;注射压力选取150MPa，实现复杂曲面减重;
将步骤S1300调整为：取复合结构采用三明治夹层结构利用榫卯插接设计，通过环氧树脂-金属共固化工艺实现碳纤维面板+蜂窝铝芯材构成复合架构，碳纤维面板采用高模量碳纤维预浸料,碳纤维材料参数：抗拉强度1650MPa，密度1.6g/cm³，铝芯选用六边形蜂窝铝芯材，材料密度0.2g/cm³，抗压强度9.2MPa，铝芯与碳纤维面板组成三明治结构，实现整体车架轻量化目标;
将步骤S1400调整为：采用SLM激光选区熔化工艺，工艺参数：选用400w的激光功率;扫描速度为3m/s;选用粒径大小为45μm的钛合金颗粒，制造异形轻量化构件;采用超塑成形工艺，工艺参数：温度950℃;气压3MPa;对钛合金构件进行高温气压成形，形成一体化构件，实现构件轻量化目标;
将步骤S1500调整为：通过有限元分析去除冗余材料，减少冗余材料7%，提升整体刚度10%，减少应力集中5%;
将步骤S1600调整为：采矿车底盘方面，参考海龟壳力学分布特征，对采矿车底盘进行梯度密度优化，表层密度4.5g/cm³模拟海龟角质层，采用钛合金复合陶瓷涂层;
中间层密度梯度递减至2.8g/cm³采用仿生骨板蜂窝结构;
底层使用多孔材料，密度梯度递减至1.9g/cm³，材料孔隙率40%，对应海龟壳胶原纤维缓冲层，实现局部抗冲击能力提升;
采矿车车身方面，结合仿生鳐鱼造型，车身整体比例长宽比2.5:1，侧翼延展系数1.5，参考鳐鱼滑翔姿态对车身进行设计优化车身形状;
将步骤S2100调整为：前部车身外壳部分采用15°楔形导角，尾部车身外壳部分增设导流鳍，导流鳍高度400mm，倾角10°-25°动态调节;
将步骤S2200调整为：硬岩地形，履带宽度收缩15%提升压强;
软泥地形履带宽度扩展20%防止下陷，履带板倾角调节范围：0°-25°;
硬岩地形调整至10°提升抓地力，软泥地形调整至25°降低接地比压，实现功耗的降低;
将步骤S2300调整为：当使用破碎头模块时，功能集成模块在算法中权重占比增加7%;当使用矿物筛选模块时，功能集成模块在算法中权重占比减少5%;当使用暂存仓模块时，功能集成模块在算法中权重占比增加10%;
将步骤S2400调整为：采用4组矢量推进器+2组履带驱动，通过PID控制实现六自由度精准调节，当车辆倾角为0°-15°时，矢量推进器功率选用50%，选用两组矢量推进器，矢量推进器角度为10°;当车辆倾角≥15°时，矢量推进器功率选用100%，选用四组矢量推进器，矢量推进器角度为15°;
将步骤S2500调整为：采用主动导流板系统，在车身两侧布置8组压电陶瓷驱动的自适应导流板，根据ADCP声学多普勒流速剖面仪数据实时调整倾角，调整角度为0°-30°，调节精度±0.5°，水流速度感知延迟<0.3s，导流板全行程调节时间<2s;
重心自平衡技术方面，通过矿物仓的配重滑块实时调节，配重滑块精度±2cm，重心偏移感知延迟<0.5s，配重块调节时间<2s，确保整个采矿车在倾斜角度0°-30°工况下的稳定性;
将步骤S3210调整为：初始规则设计空间中设置流体力学参数：海水流速0.1m/s-1.5m/s，海水密度1000-1026kg/m³，海水动力粘度0.00157-0.00163 kg/m·s;
将步骤S3300调整为：获取的采矿目标权重占比：姿态调节装置6%，液压动力模块7%，履带行走机构30%，采集机构15%，浮体模块17%，矿仓模块10%，采矿车主框架15%;
下表为本实施例对于深海采矿车优化的结果：
[0062]以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(1)
声明：
“基于深海采矿车低能耗智能设计方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：招商局深海装备研究院（三亚）有限公司, 中国海洋大学, 招商局海洋装备研究院有限公司
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